大學基礎化學實驗教學中學生科研素養的培養

宰建陶， 陳虹錦

(上海交通大學 化學化工學院，上海 200240)

0 引 言

化學是實踐型的學科。基礎化學實驗的學習、實踐和積累對培養學生的動手能力、科學的研究方法、科學的研究態度有很好的匯聚、鋪墊作用[1-3]。一旦養成的良好的實驗技能、科研態度、方法和思維模式，學生在今后的進一步深造學習、科學研究中會形成一種厚積薄發的態勢[4-6]。整個學習過程是一種科學方法論的體驗，有時，它有著比理論教學更好的人才培養效果[7-10]。

2013～2016年，對致遠學院化學班基礎化學實驗的第一門課程“無機與分析化學實驗”[11]的教學方法、模式進行了改革。針對他們較為扎實的化學基礎和良好學風，進行了高起點、高要求、高投入的改革，取得了一定的效果。

本次改革的重點放在改變過去基礎化學實驗教學的一般思路及做法[12-13]，重點在以下幾方面作了改革。

1 實驗教學以學生為主體進行

教學實驗的作用主要是驗證理論知識，培養學生的探究、思索能力。但以往的教學過程中往往學生的主動性發揮不夠，學生照著實驗方案進行操作，驗證理論知識。但是整個實驗的設計以及方法的原理缺乏認識，對能力的培養和整體的思路的建立不夠，比較被動。為改變這種被動學習的習俗，設計了以下幾個環節，旨在提高學生在整個教學過程中的主動性。

1.1 由學生分組準備實驗原理和方法的討論及操作、注意事項的講解

充分發揮團隊精神，調動每一個同學的積極性和關注力。同學在自己設計的實驗方案基礎上，經過全班同學的討論和修改，拋棄實驗教材進行實驗。有的元素性質實驗，就在實驗結束后討論，對討論中存在的疑惑，再去做實驗嘗試或驗證。

每一次的討論都很認真、熱烈。同學的收獲頗多，即加深了對實驗原理的理解，又對實驗過程設計的方法原理有所掌握，重要的是，在過程中還加強了團隊的協作精神。如鄰二氮菲測鐵實驗是一個簡單的但又較完整的包括實驗條件的確定和標準曲線的繪制以及實際樣品的含量測定的教學實驗。該實驗系統完整、思維容量大，對學生的能力要求高。為此，在2016級同學的實驗教學中，為了有效的教學效果并盡可能的資源共享，將學生分成幾個小組，增加用正交實驗方法選擇實驗條件和測定實際樣品——自制草酸亞鐵含量的測定環節。學生們在組長的帶領下，根據要求，多次討論，設計方案(見圖1)，經過老師的指導后再討論修正。在實驗的過程中，遇到了預想不到的問題再集體討論，另外設計修正方案進行，大家忙得不亦樂乎，加班加點也興致不減。

1.2 循序漸進地引入實驗環節和方案設計

表1所示是無機與分析化學實驗中設計性環節在總學時中所占比例的對比。從表中數據可見，在該實驗教學中始終貫穿學生自己的設計環節；設計性環節的覆蓋和要求循序漸進地提高。這一措施的實施，對提高學生的學習積極性和主動性很有幫助，同時也提高了學生自主學習，分析問題、提出問題、解決問題的能力。

圖1 學生們討論實驗方法分析實驗現象

學時

設計性環節的實施有3種情況。①先設計實驗的某些環節，如合成實驗樣品的含量測定和組分分析；②整個實驗命題設計，如混酸(強酸+弱酸)的各組分含量測定；③學生自己命題，自主設計實驗。

通過這些設計性環節的設計并實踐，學生收獲頗豐：

(1) 體驗了化學學科理論與實踐的關系。他們從中體會到，化學理論課程的原理，并不是那么容易驗證的，實驗環節的設計很重要(如三氯化六氨合鈷中氯含量的測定，在所有可查的實驗書籍中都是用摩爾法沉淀滴定來測定Cl-的含量。但是在實際操作中，一個是溶液的pH的控制，另一個是終點的判斷根本無法進行。為此，就讓同學自己設計實驗環節來解決這個問題，在老師的指導下他們都順利完成了該環節的內容。通過這一次的實踐，同學的感悟是要完成理論上可行的，貌似簡單的實驗過程有時是行不通的，就像要重復前人的科研成果也并非易事一樣。這樣的訓練，可以培養學生在實驗預習中會注重方法的原理和自己提出問題。

(2) 實驗設計出于理論原理又高于理論。在此設計乃至實驗進行的過程中，感悟實驗設計方案的科學性。如在理論課程分析化學[14]的學習中有配位滴定方案的設計：①Ca2+、EDTA混合溶液中，二者含量的分別測定和②含Fe3+溶液中Bi3+含量的測定。實驗方案設計后學生到實驗室準備，結果發現僅僅含Bi3+溶液的配制就遠沒有想象的容易，反反復復數次才在實驗室老師的指導下完成。如此，既體驗到理論與實際的關系，又獲得了元素性質的感性認識。

(3) 體驗了科學研究的全過程。以往的教學實驗都是課本上的實驗，只要認真預習即可完成。而自主設計實驗要求學生從設計到準備實驗所需的試劑，到進行實驗都自己完成。往往是在此過程遇到的問題遠遠超出設計稿完成時的預見。經常會做到一半再去查資料再研究再回實驗室做，花費了很多時間和精力，但也比一般的按照課本做實驗收獲多得多，對他們的科研素養的培養和分析、解決問題的能力有很好的提升。也增加了對科研的興趣。

2 注重實驗教學過程

實驗課程是一種特殊的區別于理論課程的教學實踐。過去的實驗教學往往只注重結果、不太注意過程，不注意過程中的方法論[15-16]。而本教學改革針對此問題在以下幾個方面進行了嘗試。

(1) 對實驗結果做到心中有數。讓學生有目的的學習與實踐，可以有把握地檢驗和分析自己的實驗結果，做到胸有成竹。這對于學生的要求高于普通班學生。不僅是在基礎理論、自學能力方面，還要求對實驗設計中蘊含的方法了解和理解。經過這種訓練對提高學生的科研能力很有幫助。

(2) 對實驗結果正確評價。分析、評價的目的不在于結果的正負和產率的高低，而是科學地評價及分析原因。為此，讓學生多方采集實驗數據，全班甚至全年級同學的數據共享，讓學生就實驗結果進行數據處理和分析討論并撰寫小論文。同時，還鼓勵同學用科學的觀點分析、看待實驗數據結果，如正交法引進實驗設計，如何合理的舍棄實驗數據等。

如錢天悅同學在混酸設計性實驗報告中針對指示劑的影響部分寫到：

本實驗中滴定鹽酸一步采用了不同的指示劑，而測定氯化銨和NaOH時都采用了酚酞，因而只討論指示劑對鹽酸測定的影響，實驗結果見表2。

從表2可以看出，兩種指示劑所測結果基本相同，故可認為甲基紅和溴甲酚綠都可作為指示劑，且對測試結果沒有明顯的影響。但是根據實驗中的觀察，溴甲酚綠的變色點比甲基紅更敏銳，更易于觀察，故推薦使用溴甲酚綠。

表2 不同指示劑對鹽酸濃度測定的比較

經過如此分析比較，得到了來自于實踐的感悟和體驗。

再如，謝哲遠同學將收集的139組數據進行了詳細的誤差分析(見圖2)，指出溴甲酚綠作為指示劑時，得到的偏差要小于甲基紅，也證實了上述結論。

圖2 139組混合酸測定數據偏差值制成散點圖

(3) 善于邊研究邊類比學習。如2013級的錢憶雯同學，自己設計的實驗是食品(面條和餅干)中鋁含量的測定。在做試驗前老師就給了她兩篇文獻作參考，她通過查閱和參考文獻完成了設計，可是進入實驗環節后，發現沒有分光光度法測鋁試樣量的問題。為此，她再查閱文獻，重新修改方案，經過多次實踐，很好地完成了實驗，自己也得到了很好的鍛煉和提高。

(4) 正確看待實驗結果。強調實驗過程中自己的收獲和素養的培養，而不過分注重結果。在自主設計實驗中有一個命題是黃銅(合金)中銅含量測定。這是一個非常復雜且操作困難的課題，2013級的黃般若和陸鐵騎同學花了很長的時間也沒有做出準確結果。但是，因為他們經過反復實驗，周密分析找到了原因，所以該項實驗的成績仍然是優等。這樣的做法，可以鼓勵學生知難迎難而上，攻克難關。在學長的推薦下，2014級的余坷、王焱同學仍然選擇了這個課題，從另外的角度進行設計實驗。

3 充分發揮教師的指導及啟迪作用

教學改革，教師的投入是關鍵。在這個基礎化學實驗教學改革的過程中，教師起著循循善誘的作用：是放手而不是脫手，指導而不是教導。具體的做法是：

(1) 每個實驗都堅持帶領助教提前做預備實驗，經過預備實驗，給出多個實驗前的思考題和實驗預案，便于學生預習準備、討論和在過程中給予指導。

(2) 對學生遞交的設計方案進行反復點評、修改和指導，有時是針對性的逐個個別指導。

(3) 實驗前個別指導領銜小組的總結討論、拓展方案(每一個實驗由一個小組領銜討論)。

(4) 注重學生團隊精神和求實創新精神的培養。有目的地挑選幾個復雜、繁復的實驗有指導性地讓學生組建團隊，審查團隊設計方案，注重和考核每一個隊員在方案中的擔當。

(5) 做學生實驗的“后勤保障”。及時與實驗室人員溝通、協調，做好學生需要提供的實驗器材和試劑的供給保證；實驗數據的采集、分享，為學生分析、總結，撰寫實驗報告或論文提供素材。

經過本實驗課程的各種訓練，同學們得到了比較好的鍛煉，也收獲了一定的課外科研成績(見表3)。

表3 致遠化學班同學科研情況

總體來說，致遠班的學生對科學研究的興趣較濃，進入課題組以后以較好的實驗技能和素養得到了教師的好評。如陳鵬宇在實驗課程感想中寫道：“第2學期的實驗相比起第1學期，雖然實驗的次數少了，但明顯地感覺到難度增大了，自主思考與設計的空間也更大了。這是個不小的挑戰，但同時也讓實驗變得有趣一些，有了更多的發揮空間與鍛煉機會，而不再是照著書本機械地復制”“……奇怪現象的出現，或者奇怪化合物的生成，都激發了大家的好奇心與探索欲，讓大家主動通過學習與討論尋求答案……要將學習與研究當作是探索與發現，激起自己的好奇心與探索欲，主動的投入精力去尋求答案。” 閆昶宇同學寫到“……更像真兵實練，更有利于培養和鍛煉我們的實驗能力和操作手法，在設計實驗的時候我們需要的不僅僅是在網上、書上查找資料，更要學會篩選有效和無效的資料，因為實驗和理論差距是很大的，很多網絡上的數據都來自于理論計算，真實實驗中不一定有效果”。

4 結 語

教學改革，教學方法的改革，能力的培養是教學的主題，關鍵是教師如何面向自己的教學對象，根據他們的基礎、興趣，因材施教地組織教學，并盡可能達到較好的教學效果。以上只是近幾年在基礎化學實驗教學過程中的做法和得到的初步效果。